CN114336574A - 一种直流电源模块并联均流控制方法 - Google Patents

一种直流电源模块并联均流控制方法 Download PDF

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张浩铭
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Abstract

一种直流电源模块并联均流控制方法，包括以下步骤：并联连接在直流电源与负载之间的N组Buck‑Boost升降压DC‑DC变换器模块，对每组模块的输出电压和输出电流进行实时检测，通过PI控制器实现电压外环和电流内环的双闭环控制，控制每一组模块的输出电压和输出电流；采用最大电流自动均流法进行均流控制，通过PI控制器引入均流环进行三闭环控制，当模块间输出电流不均衡时，将各模块的N组输出电流从大到小进行排序，输出电流最大的模块将作为主模块，对剩余N‑1组模块的输出电流实现均衡控制，保证模块间的输出电流处于均衡状态；实现了对DC‑DC并联电路进行实时均流控制，提高了并联均流的精度及响应速度，抗干扰能力强。

Description

一种直流电源模块并联均流控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体设计一种直流电源模块并联均流控制方法。
背景技术
在电动汽车、航空航天、工业化生产等需要大功率电能变换电路应用场合中，为了降低 DC-DC变换器的成本、提高DC-DC变换器的可靠性等，并联均流电路得到广泛的应用。并联均流电路使负载功率均匀的分布在各个DC-DC变换器模块中，从而降低了系统成本、提高了系统可靠性、便于后期维修和扩容，但在并联均流电路中各DC-DC变换器模块输出电流的均流精度和抗干扰能力问题难以解决，容易出现部分DC-DC变换器模块处于过载运行状态，而部分模块处于轻载甚至空载运行状态。常见的并联均流控制算法，电流环路只采用单一控制算法，均流精度较低，同时抗干扰能力较差。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种直流电源模块并联均流控制方法，克服常见并联均流控制算法所带来的均流精度较低、抗干扰性较差的问题，具有可靠性高、成本低、抗干扰性好、后期维护方便和扩容的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种直流电源模块并联均流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
并联连接在直流电源与负载之间的N组Buck-Boost升降压DC-DC变换器模块，对每组 DC-DC变换器模块的输出电压和输出电流进行实时检测，通过PI控制器实现电压外环和电流内环的双闭环控制，从而快速、精准地控制每一组DC-DC变换器的输出电压和输出电流；在此基础上采用最大电流自动均流法进行均流控制，当模块间输出电流不均衡时，将各模块的N组输出电流从大到小进行排序，输出电流最大的模块将作为主模块，通过PI控制器引入均流环进行三闭环控制，对剩余N-1组模块的输出电流实现均流控制，保证模块间的输出电流处于均衡状态，N＝1，2，…，N。
所述的均流控制，具体包括以下步骤：
步骤1，获取每组DC-DC变换器模块的输出参考电流IrefN；
步骤2，检测每组DC-DC变换器模块的输出电流iN；
步骤3，将每组DC-DC变换器模块的输出电流iN与相对应该组模块的参考电流IrefN进行做差运算，得到每组模块输出电流iN与参考电流IrefN的误差值ΔiN；
步骤4，将步骤3获得的每组误差值ΔiN送入电流环PI调节器，经过PI运算输出每组模块的调制波；
步骤5，将每组模块的调制波与三角载波进行比较，输出相应的PWM波形，驱动DC-DC 变换器中MOS管的导通与关断，实现模块间的输出电流处于均衡状态。
2、根据权利要求1所述的一种直流电源模块并联均流控制方法，其特征在于，每组DC-DC 变换器模块的参考电流IrefN的获取方法，N＝1，2，…，N，包括以下步骤：
步骤S1，根据负载需求给定DC-DC变换器模块的输出参考电压Uref；
步骤S2，检测每组DC-DC变换器模块的输出电压uoN；
步骤S3，将每组DC-DC变换器模块的输出电流uoN与输出参考电压Uref进行做差运算，得到每组模块输出电流与参考电流的误差值ΔuN，将误差值ΔuN送入电压环PI调节器进行PI 运算；
步骤S4，将检测到的每组DC-DC变换器模块的输出电流iN从大到小进行排序得到最大输出电流imax，并将最大输出电流imax作为均流母线；
步骤S5，将每组DC-DC变换器模块的输出电流iN与均流母线imax进行做差运算，得到每组模块输出电流与均流母线的误差值ΔicsN；
步骤S6，将每组DC-DC变换器模块输出电流与均流母线的误差值ΔicsN送入均流环PI 调节器，进行PI运算；
步骤7，将电压环PI调节器的运算结果与均流环PI调节器的运算结果进行相加，得到每组DC-DC变换器模块的参考电流IrefN。
本发明的有益效果是：
通过PI控制器实现电压外环和电流内环的双闭环控制，从而快速、精准地控制每一组 DC-DC变换器的输出电压和输出电流，并且在此基础上采用最大电流自动均流法进行均流控制，当模块间输出电流不均衡时，将各模块的N组输出电流从大到小进行排序，输出电流最大的模块将作为主模块，通过PI控制器引入均流环进行三闭环控制，克服了常见单独采用最大电流自动均流控制方法带来输出电流偏高的问题，提高了系统整体的均流精度、抗干扰能力和可扩展能力等。
附图说明
图1为本发明提供的并联均流电路连接框图。
图2为本发明提供的并联均流电路硬件连接图。
图3为本发明提供的并联均流电路控制算法原理图。
图4为直接利用基于最大电流法进行单电流环进行并联运行均流控制的实验测试输出波形图。
图5为采用电流环和均流环进行两个模块并联运行均流控制的测试波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种直流电源模块并联均流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
并联连接在直流电源与负载之间的N组Buck-Boost升降压DC-DC变换器模块，对每组 DC-DC变换器模块的输出电压和输出电流进行实时检测，通过PI控制器实现电压外环和电流内环的双闭环控制，从而快速、精准地控制每一组DC-DC变换器的输出电压和输出电流；在此基础上采用最大电流自动均流法进行均流控制，当模块间输出电流不均衡时，将各模块的N组输出电流从大到小进行排序，输出电流最大的模块将作为主模块，通过PI控制器引入均流环进行三闭环控制，对剩余N-1组模块的输出电流实现均流控制，保证模块间的输出电流处于均衡状态，N＝1，2，…，N(N与下述输出参考电流IrefN中的N含义相同，意思是1到N个模块)。
所述的均流控制，具体包括以下步骤：
步骤1，获取每组DC-DC变换器模块的输出参考电流IrefN；
步骤2，检测每组DC-DC变换器模块的输出电流iN；
步骤3，将每组DC-DC变换器模块的输出电流iN与相对应该组模块的参考电流IrefN进行做差运算，得到每组模块输出电流iN与参考电流IrefN的误差值ΔiN；
步骤4，将步骤3获得的每组误差值ΔiN送入电流环PI调节器，经过PI运算输出每组模块的调制波；
步骤5，将每组模块的调制波与三角载波进行比较，输出相应的PWM波形，驱动DC-DC 变换器中MOS管的导通与关断，实现模块间的输出电流处于均衡状态。
所述每组DC-DC变换器模块的参考电流IrefN的获取方法，N＝1，2，…，N，包括以下步骤：步骤S1，根据负载需求给定DC-DC变换器模块的输出参考电压Uref；
步骤S2，检测每组DC-DC变换器模块的输出电压uoN；
步骤S3，将每组DC-DC变换器模块的输出电流uoN与输出参考电压Uref进行做差运算，得到每组模块输出电流与参考电流的误差值ΔuN，将误差值ΔuN送入电压环PI调节器进行PI 运算；
步骤S4，将检测到的每组DC-DC变换器模块的输出电流iN从大到小进行排序得到最大输出电流imax，并将最大输出电流imax作为均流母线；
步骤S5，将每组DC-DC变换器模块的输出电流iN与均流母线imax进行做差运算，得到每组模块输出电流与均流母线的误差值ΔicsN；
步骤S6，将每组DC-DC变换器模块输出电流与均流母线的误差值ΔicsN送入均流环PI 调节器，进行PI运算；
步骤7，将电压环PI调节器的运算结果与均流环PI调节器的运算结果进行相加，得到每组DC-DC变换器模块的参考电流IrefN。
实施例1
如图1所示，本发明实施例中，包括并联连接在直流电源与负载之间的N组Buck-Boost 升降压DC-DC变换器模块，对每组DC-DC变换器模块的输出电压和输出电流进行实时检测，通过PI控制器实现电压外环和电流内环的双闭环控制，从而快速、精准地控制每一组DC-DC 变换器的输出电压和输出电流；在此基础上采用最大电流自动均流法进行均流控制，当模块间输出电流不均衡时，将各模块的N组输出电流从大到小进行排序，输出电流最大的模块将作为主模块，通过PI控制器引入均流环进行三闭环控制，对剩余N-1组模块的输出电流实现均衡控制，保证模块间的输出电流处于均衡状态。
如图2所示，本发明实施例中，以第一组Buck-Boost升降压DC-DC变换器模块为例，包括电容C11、电容C12、MOS管S1、电感L1和二极管D1。电容C11的正负极与直流源的正负极相对应连接；MOS管S1的漏极与电容C11的正极相连接，MOS管S1的源极与电感L1的第一端和二极管D1的阴极相连接，MOS管S1的栅极与PWM-1驱动脉冲相连接；电感L1的第二端与电容C11的负极和电容C12的正极相连接；二极管D1的阳极与电容C12的负极相连接；电容C12的正负极与负载两端相连接。电容C11两端电压uin1作为本模块输入电压，电容C12两端电压uo1作为本模块输出电压，i1作为本模块输出电流。
如图3所示，本发明实施例中，并联均流控制算法主要由以下部分组成：由负载需求给定DC-DC变换器模块的输出参考电压Uref，检测每组DC-DC变换器模块的输出电压uoN，将每组DC-DC变换器模块的输出电流uoN与输出参考电压Uref进行做差运算，得到每组模块输出电流与参考电流的误差值ΔuN，将误差值ΔuN送入电压环PI调节器进行PI运算；检测每组DC-DC变换器模块的输出电流iN，将检测到的每组DC-DC变换器模块的输出电流iN从大到小进行排序得到最大输出电流imax，并将最大输出电流imax作为均流母线，将每组DC-DC变换器模块的输出电流iN与均流母线imax进行做差运算，得到每组模块输出电流与均流母线的误差值ΔicsN，将误差值ΔicsN送入均流环PI调节器进行PI运算，将电压环PI调节器的运算结果与均流环PI调节器的运算结果进行相加，得到每组DC-DC变换器模块的参考电流IrefN。
将每组DC-DC变换器模块的输出电流iN与相对应该组模块的参考电流IrefN进行做差运算，得到每组模块输出电流与参考电流的误差值ΔiN，将误差值ΔiN送入电流环PI调节器，经过PI运算输出每组模块的调制波，将每组模块的调制波与三角载波进行比较，输出相应的 PWM波形，从而驱动DC-DC变换器中MOS管的导通与关断。
本发明通过电压环、电流环和均流环三闭环控制，实现模块间的输出电流可以快速高精度地处于均流状态，抗干扰能力强。
采用两个4000W的直流电源模块进行实验测试，其工作频率为20KHz，输入电压为510V，输出电压为400V。处理器为TMS320F28335，输出端滤波电感为10mH，电容为470uF，电流传感器为ACS712，输出端负载为20Ω。
直接利用基于最大电流法进行单电流环进行并联运行均流控制的实验测试输出波形如图 4所示。
采用电流环和均流环进行两个模块并联运行均流控制的测试波形图如图5所示。
根据图4和图5可知，基于最大电流法对直流电源模块并联运行进行均流控制，单电流环控制时两个模块能够实现均流运行，但两个模块的输出电压均偏高，一路电压为423.8V电流为10.567A，另一路电压为410.8V电流为10.273A，不利于模块的长期运行，且均流精度不高，存在一定误差。当采用电流环和均流环进行均流控制时，两个模块均工作在额定电压附近，一路电压为409.9V电流为10.226A，另一路电压为402.2V电流为10.065A，均流精度得到大大提高，有利于整个系统的长时间可靠稳定运行。
显然，上述实施例仅仅是为说明清楚所做的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围内。

Claims (3)

1.一种直流电源模块并联均流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
并联连接在直流电源与负载之间的N组Buck-Boost升降压DC-DC变换器模块，对每组DC-DC变换器模块的输出电压和输出电流进行实时检测，通过PI控制器实现电压外环和电流内环的双闭环控制，从而快速、精准地控制每一组DC-DC变换器的输出电压和输出电流；在此基础上采用最大电流自动均流法进行均流控制，当模块间输出电流不均衡时，将各模块的N组输出电流从大到小进行排序，输出电流最大的模块将作为主模块，通过PI控制器引入均流环进行三闭环控制，对剩余N-1组模块的输出电流实现均流控制，保证模块间的输出电流处于均衡状态，N＝1，2，…，N。
2.根据权利要求1所述的一种直流电源模块并联均流控制方法，其特征在于，所述的均流控制，具体包括以下步骤：
步骤1，获取每组DC-DC变换器模块的输出参考电流IrefN；
步骤2，检测每组DC-DC变换器模块的输出电流iN；
步骤3，将每组DC-DC变换器模块的输出电流iN与相对应该组模块的参考电流IrefN进行做差运算，得到每组模块输出电流iN与参考电流IrefN的误差值ΔiN；
步骤4，将步骤3获得的每组误差值ΔiN送入电流环PI调节器，经过PI运算输出每组模块的调制波；
步骤5，将每组模块的调制波与三角载波进行比较，输出相应的PWM波形，驱动DC-DC变换器中MOS管的导通与关断，实现模块间的输出电流处于均衡状态。
3.根据权利要求1所述的一种直流电源模块并联均流控制方法，其特征在于，每组DC-DC变换器模块的参考电流IrefN的获取方法，N＝1，2，…，N，包括以下步骤：步骤S1，根据负载需求给定DC-DC变换器模块的输出参考电压Uref；
步骤S2，检测每组DC-DC变换器模块的输出电压uoN；
步骤S3，将每组DC-DC变换器模块的输出电流uoN与输出参考电压Uref进行做差运算，得到每组模块输出电流与参考电流的误差值ΔuN，将误差值ΔuN送入电压环PI调节器进行PI运算；
步骤S4，将检测到的每组DC-DC变换器模块的输出电流iN从大到小进行排序得到最大输出电流imax，并将最大输出电流imax作为均流母线；
步骤S5，将每组DC-DC变换器模块的输出电流iN与均流母线imax进行做差运算，得到每组模块输出电流与均流母线的误差值ΔicsN；
步骤S6，将每组DC-DC变换器模块输出电流与均流母线的误差值ΔicsN送入均流环PI调节器，进行PI运算；
步骤7，将电压环PI调节器的运算结果与均流环PI调节器的运算结果进行相加，得到每组DC-DC变换器模块的参考电流IrefN。
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